固态量子系统中单光子相干操控和光学非线性的理论研究

Solid-state quantum systems, owing to their integratability, controllability, scalability, low energy consumption，have attractive applications. To study coherent control of strong interaction between light and matter at single-photon level in solid-state quantum system, has important significance in optical quantum computation and quantum information processing. In our project, we will investigate coherent controlling single-photon transport and generating optical nonlinearity at single-photon level, utilizing strong light-matter interaction in solid-state quantum system. These solid-state systems mainly include circuit quantum electrodynamics system, strong-coupling waveguide-atom system and new-generation solid-state optomechanical system. We will concentrate on improving efficiency of existing scheme and developing new theoretical method under single-photon strong coupling regime using highly tunability and controllability of solid-state system. To study these problems has important significance in improving our understanding on light-matter interaction, developing solid-state single-photon quantum device, and optimizing existing scheme of quantum information processing and storage.

固态量子系统具有良好的可集成性、可控制性，易规模化，低能耗等优点，具有诱人的应用前景。研究固态量子系统在单光子水平上光与物质相互作用的相干控制，在光量子计算，量子信息处理等领域具有重要意义。本申报项目将研究在包括电路量子电动力学系统，波导-原子强耦合系统，新一代固态光力系统为代表的固态量子系统中，利用光与物质的强相互作用，进行单光子传输的相干操控，产生单光子水平上的光学非线性。我们将致力于利用固态系统的高度可调性，易于用外场控制等特点，提高现有方案的效率，以及发展适用于单光子强耦合条件下新的理论方法。对这些问题的研究, 对理论上进一步深入理解光与物质的强相互作用，固态单光子量子器件的研制，以及现有量子信息处理和存储方案的优化等方面均具有重要的意义。

近年来，由于纳米加工技术的发展，我们已经可以在极低的功率下控制光和物质的相互作用。特别的，实现微纳结构中单光子水平上的光学器件已经成为可能。因为这样的固态装置易于片上集成，可调性高，易规模化，能耗低，容易耦合其他类型的量子系统，所以具有广泛的应用前景。在本项目中，我们主要进行了如下几个方面的研究：利用光力系统对微弱光信号进行相干操控，着重研究了通过驱动机械振子对这些相干过程进行调制；双腔结构光力系统中弱光信号的相干操控，着重研究了光信号的相干放大以及完美透射等性质；提出了一个方案来实现基于超导量子电路的高效单光子频率转换器，原则上其转换效率可以接近100%，论证了其在现有实验条件下实现的可能性；给出了一个利用光力系统来实现固态可集成的单光子开关的方案，分析了提高单光子开关效率的途径，讨论了该方案在具体物理系统中实现的可能性。我们研究的物理对象易于在芯片上集成，并可应用于量子信息处理，微波单光子探测，以及未来量子网络中的量子接口。